Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng Điện tử công suất và ứng dụng - Chương 2: Linh kiện điện tử công suất cung cấp cho người học các kiến thức: Diot công suất, linh kiện học transistor, linh kiện họ thyristor. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Slides ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: 2.1 Diod công suất 2.2 Linh kiện họ transistor 2.3 Linh kiện họ thyristor / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD 2.1 DIOD CÔNG SUẤT: Được phép mang vào phòng thi Là diod chòu dòng lớn, dùng ĐTCS Phân loại: - có hai loại: - tần số công nghiệp (diod chỉnh lưu) - diod tần số cao có diod Schotky chòu áp thấp, sụt áp thuận 0.2 – 0.4V Ngắt điện điện tử: linh kiện hay nhóm linh kiện điện tử làm việc hai chế độ: Đặïc tính phục hồi diod (recovery): Từ dẫn -> khóa có khoãng dẫn dòng ngược - Dẫn điện hay bảo hoà (ON): sụt áp bé, dòng phụ thuộc vào tải - Khóa (OFF): dòng qua bé (≈ 0), xem hở mạch Linh kiện chính: diode, thyristor (SCR), transistor (BJT, MosFET, IGBT) TÁC DỤNG: hạn chế tần số làm việc, áp đóng ngắt / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 2.2 LINH KIỆN HỌ TRANSISTOR: Là nhóm linh kiện đóng ngắt theo điều khiển: BJT, MosFET, IGBT… G D D / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD 2.2.1 Đặc tính đóng ngắt BJT - Thí nghiệm đóng ngắt tải R vaø RL: C C VCC L VCC G S S G MosFET kênh n (Ký hiệu quen dùng) Ký hiệu IGBT i G E E Mạch nguyên lý IGBT - MosFET: transistor trường loại tăng (enhancement) - IGBT (Insulated Gate BJT) = MosFET ngỏ vào + BJT ngỏ BJT: điều khiển dòng cực B - IB = => BJT khóa, không dẫn điện MosFET, IGBT: điều khiển áp VGS VGE - VGS ≤ : transistor khóa - IB đủ lớn (IB > IC / β) BJT bảo hòa: dòng - VGS > VTH : transistor dẫn điện tải IC phụ thuộc tải (V từ volt) TH transistor Darlington có β từ vài trăm Thực tế điều khiển: đến vài nghìn 0/10 – 15V hay ±(10 – 15)V Được phép mang vào phòng thi i VBB C Rt R1 Rt VBB Q R2 v CE C Q R2 R1 v CE - từ khóa Ỉ bảo hòa transistor qua trạng thái khuếch đại => có tổn hao đóng ngắt: phát nhiệt tăng cao theo tần số làm việc => cần có biện pháp: điều khiển tối ưu + mạch hỗ trợ / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 2.2.2 Mạch lái BJT: Khái niệm mạch lái (driver): / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD a Dạng xung điều khiển tối ưu: - Dòng cực B tối ưu: Điều khiển Mạ ch phá t xung Khuế ch đạ i xung Ghép nố i NĐBD i VBB Icb Điều khiể n vò ng kín Được phép mang vào phòng thi R2 Idt B R1 Q D R C t Mạch lái (driver) Ing mạch Snubber DRIVER: phận trung gian HT điều khiển - thiết bò Giải thích: - HT ĐKTĐ: Driver = điều khiển động cơ/ tải công suất tụ điện ký sinh CBE cần nạp/xả nhanh - BBĐ: MosFET, IGBT: có trình tương tự với CGS Driver = mạch cung cấp dòng điều khiển NĐBD gồm KĐ công suất + ghép nối - Ghép nối: trung gian mạch ĐK – động lực Trực tiếp – qua trung gian quang / từ - Mạch cải thiện trình khóa: Tụ C tạo đường dẫn điện IC trrong trình khóa ngắt điện / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi b Mạch lái BJT - dạng mạch lái trực tieáp: (a), (b), (d) 1uF VBB R3 Q R2 R1 (a) Q1 R2 T Q2 D (b) R1 Q 2.2k Q Q1 - VCC - Ghép quang (OPTRON): Dùng nguồn độc lập cho mạch lái cấp điện + Mạch điện tương tự lái OPTO SCR 2.2.3 mạch lái MosFET, IGBT: _ Khuếch đại xung Mạch cực cổng Ngưỡng áp điều khiển – V Q2 (c) OPTRON (Cách ly tín hiệu ĐK) + sửa dạng + khuếch đại công suất (Ghép trực 10 mA tiếp) Được phép mang vào phòng thi - Các thông số: VCC C / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD (d) D MOSFET N 220 Tiêu biểu – 10 V (hay 15 V) +/- 10 V (hay 15 V) Giới hạn +/- 20 V 330p Xung 15V 510/3w Dz7V2 22k - Mạch lái MosFET IGBT: Tần số thấp: lái trực tiếp từ vi mạch 12V Tần số cao: Mạch lái tương tự BJT cấp điện 15 – 20V Vi mạch lái: - IR21xx - optron + mạch KĐại / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD II.3 LINH KIỆN HỌ THYRISTOR: Được phép mang vào phòng thi 10 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Thyristor: linh kiện có ≥ lớp, đại diện SCR A Cấu tạo nguyên lý hoạt động SCR: P G Hình II.2.1: nguyên lý SCR N P N K Cấu tạo nguyên lý Ký hiệu SCR Hình II.2.2: Cấu tạo SCR dòng lớn tỉ lệ thực (a) phóng to mảnh tinh thể bán dẫn (b) Mạch tương đương hai BJT - Mạch tương đương giải thích hoạt động SCR phân cực thuận - Khi cấp điện, iG = : SCR khóa thuận ngược – IA dòng điện rò, bé, cở mA với VAK ≠ - Khi SCR phân cực thuận VAK > 0, IG > 0, SCR Ỉ dẫn điện Anod: Dương cực - SCR tự giữ trạng thái dẫn điện IA Ỉ Katod: Âm cực Đặc tính tónh ( volt – ampe ): Gate: Cổng hay cực điều khiển Mô tả quan hệ IA(VAK) với dòng IG khác 11 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 12 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Có thông số dòng: IL : dòng cài, IH : dòng giữ Đặc tính động ( đóng ngắt ): a Đặc tính mở: ( turn on ) - Thời gian trễ ton - Giới hạn tốc độ tăng dòng diA/dt có thời gian lan truyền vùng dẫn điện Hình II.2.3 Sơ đồ thí nghiệm đặc tuyến volt – ampe SCR Hình II.2.4.a Đặc tính động : mở khóa SCR * VAK < : Khóa ngược: có dòng rò ngược, cở mA Khi VAK < - VRB ta có tượng gãy ngược Ỉ SCR bò hỏng * VAK > IG = : Khóa thuận: có dòng rò thuận, cở mA Khi VAK > VFB ta có tượng gãy thuận: SCR Ỉ dẫn điện Đònh mức áp SCR cần lớn giá trò gãy với hệ số an toàn > * Quá trình kích: Khi phân cực thuận, IG tăng, VFB giảm dần => Kích dòng IG đủ lớn để SCR dẫn điện bất chấp áp phân cực thuận * Vùng dẫn điện: sụt áp VAK = VF khoaûng - volt (1) (2) 13 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 14 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Hình II.2.4.b Cấu tạo SCR cực cổng để cải thiện đặc tính động C2 = 0.05 – 0.1 uF; R2 = 33 – 100 ohm; R1 = 20 – 100 ohm; C1 = 0.1 – 0.5 uF Hình II.2.5: Mạch snubber R1C1 RC cực cổng bảo vệ SCR khỏi chế độ kích dẫn không mong muốn b Đặc tính khoá: ( turn off ) - Thời gian đảm bảo tắt toff toff = [ 10 50 ] usec với SCR tần số cao [ 100 300 ] usec với SCR chỉnh lưu - Có giới hạn tốc độ tăng du/dt để tránh tự kích dẫn - Có trình dẫn dòng ngược khóa (đặt áp âm) diod (đặc tính phục hồi ngược) - Cần có mạch bảo vệ chống tự kích dẫn (hình II.2.5) Đặc tính cổng: (hay kích khởi cổng) 15 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 16 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Các linh kiện khác họ thyristor: Bao gồm: Thyristor họ linh kiện có lớp với SCR đại diện (1) IG(VG) tiêu biểu, Thyristor có khả tự giữ trạng thái dẫn điện (kích dẫn) (2) IG(VG) ứng với điện trở RG bé, (3) IG(VG) ứng với điện trở RG lớn Các thông số giới hạn ( cực đại ): dòng IGmax, áp VGmax công suất tiêu tán trung bình PGmax (phụ thuộc bề rộng xung kích SCR) Các thông số giới hạn (bé nhất) cho đảm bảo kích: VGT, IGT Một số Thyristor chế tạo để điều khiển trình khoá làm thành ngắt điện điện bán dẫn chiều Hình II.2.6: Đặc tính cổng SCR Điểm làm việc cực cổng SCR phải nằm giới hạn Hình II.2.7: Ký hiệu linh kiện hay gặp họ Thyristor a DARLISTOR: SCR có cấu tạo nối tầng (cascade) để tăng hệ số khuếch đại dòng IA / IG b DIAC: c LA SCR ( Light – activated – SCR ): SCR kích tia saùng d GTO: ( Gate turn off SCR, SCR tắt cực cổng ) GTO cho phép ngắt SCR xung âm cực cổng Từ mạch tương đương hai BJT 17 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi (hình 1.2a), khả dự đoán e TRIAC: Là hai SCR song song ngược, chế tạo với dòng đònh mức đến hàng ngàn ampe - IG > hay IG < tổ hợp với VT > hay VT < cho ta kiểu hoạt động 18 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi khó làm việc với tải có tính cảm Mạch lái Thyristor: a Ghép trực tiếp: Mạch lái = mạch khuếch đại dòng 6V XUNG DK 100 R1 Hình II.2.8 Đặc tuyến V – I TRIAC DIAC Hình II.2.9: Hình dạng bên số TRIAC (SCR tương tự ) Nhược điểm TRIAC: - dễ bò tự kích nhiệt độ mối nối cao - có giới hạn du/dt thấp, 220 R2 R4 2.2 ohm Q1 C1061 2.2 ohm R5 SCR 0.1 uF C1 R3 100 R? R b Ghép quang: dùng OPTRON cách ly Điều khiển - Động lực 19 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 20 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi OPTRON (Optocoupler) OPTRON Triac họ MOC OPTRON thông thường có thời gian trễ lớn vài micro giây => tần số tối đa đến vài chục KHz Đặc tính optron TRIAC họ MOC Motorola 6V OPTO1 2.2 ohm Q1 Q2 1K 2.2 ohm 4K7 R1 4K7 R2 4k7 SCR 100 Sơ đồ kích SCR dùng OPTRON thông thường Đặc tính optron PS2521 (NEC) hay TLP521 (TI) c Ghép biến áp: biến áp xung (BAX) nguyên tắc BAX xung phải đủ hẹp: thời gian có xung đủ nhỏ – thời gian nghỉ đủ dài 21 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi BAX VCC 100 D2 47n D2 3k3 3.3 ohm D1 3k3 Q1 3k3 Mạch lái xung hẹp SCR ... (b), (d) 1uF VBB R3 Q R2 R1 (a) Q1 R2 T Q2 D (b) R1 Q 2. 2k Q Q1 - VCC - Ghép quang (OPTRON): Dùng nguồn độc lập cho mạch lái cấp điện + Mạch điện tương tự lái OPTO SCR 2. 2.3 mạch lái MosFET, IGBT:... (d) D MOSFET N 22 0 Tiêu biểu – 10 V (hay 15 V) + /- 10 V (hay 15 V) Giới hạn + /- 20 V 330p Xung 15V 510/3w Dz7V2 22 k - Mạch lái MosFET IGBT: Tần số thấp: lái trực tiếp từ vi mạch 12V Tần số cao:... TRIAC DIAC Hình II .2. 9: Hình dạng bên số TRIAC (SCR tương tự ) Nhược điểm TRIAC: - dễ bò tự kích nhiệt độ mối nối cao - có giới hạn du/dt raát thaáp, 22 0 R2 R4 2. 2 ohm Q1 C1061 2. 2 ohm R5 SCR 0.1